一起220kV電力變壓器事故分析

摘 要：通過對一次燃煤電廠故障跳閘變壓器的試驗及檢查診斷，詳細分析了故障時刻波形數據和事故后試驗數據，對不能正確反映故障現象的色譜數據，多次取樣，對典型低壓側bc相間短路特征波形故障判斷通過設備解體檢查，對三角形接法線圈的直流電阻測試數據利用計算機仿真軟件進行驗證分析驗證，最終查明了原因，總結出能準確判斷內部故障性質的科學方法。

關鍵詞：燃煤電廠；變壓器；相間短路；匝間短路；分析

中圖分類號：TM407 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）14-0076-02

1 引 言

2017年12月12日上午10時10分50秒，某燃煤電廠01號高廠變跳閘，檢查為01號高廠變“差動保護”動作出口跳變壓器，同時變壓器“輕瓦斯”動作發信號。01號高廠變跳閘時刻該廠220kV升壓站正在進行拉開220kVⅠA母線（01號高廠變所掛母線）電容式電壓互感器（CVT）刀閘的停電操作。

2 跳閘前運行工況

某燃煤電廠01號高廠變于1988年7月投運至今，期間運行正常。變壓器型號為SFFZ-31500/220，接線組別為YN-d11-d11，額定電壓為220/6.3/6.3kV，短路阻抗：高壓-低壓Ⅰ：17.16%，高壓-低壓Ⅱ：17.19%。2017年12月12日，一期1號機組運行，2號機組停備，01號高廠變低壓Ⅰ、Ⅱ分支分別帶2號機組廠用6kVⅢ、Ⅳ段運行，高壓側電流約為12.7A。01號高廠變高壓側接在220kV升壓站內220kVⅠA母線段運行，升壓站內采用雙母線帶旁路母線接線方式。

3 檢查情況

3.1 保護及故障錄波檢查

01高廠變D、E柜為雙重化保護柜，兩柜電量保護配置相同，非電量保護配置在D柜。檢查D、E柜均有“差動保護”動作出口，D柜“輕瓦斯”發信號，兩柜錄波基本相同。通過D柜錄波波形來看，故障發生后01號高廠變高壓側電流A、B相電流相位相同，幅值大致相等，C相電流幅值約為A、B相之和，且相位相差180°。低壓Ⅰ分支電壓基本無變化，低壓Ⅱ分支側b2、c2相間電壓在差動保護動作前有降低，約下降至正常時的65%，a2、b2相間和c2、a2相間電壓基本無變化。

故障錄波裝置正常啟動，其錄波的01號高產變高壓側電流波形與保護所錄波形一致。

查看與集控故障錄波裝置為同一對時裝置受時的網控1號故障錄波器顯示，在10時10分49秒824毫秒母線電壓3U0突變量啟動錄波。集控故障錄波裝置錄波顯示變壓器高壓側電流變化事件較母線電壓3U0突變事件滯后202毫秒，結合現場操作人員反饋幾乎在分閘操作的同時聽到斷路器跳閘聲音，可以判斷母線電壓3U0突變是由于當時分閘操作時產生，且在01號高廠變發生故障之前。

3.2 一次設備的外觀檢查情況

對變壓器本體、低壓各分支母線、配電柜及高、低壓側開關等進行目測檢查無異常，未聞到有短路燒糊等異味。發現瓦斯繼電器內存有少量氣體。變壓器高壓側開關和低壓側母線進行電氣預防性試驗項目均合格。

3.3 現場初步的檢查和試驗情況

對01號高廠變進行絕緣油色譜分析，并對變壓器做絕緣電阻、繞組連同套管介損、直流電阻、電壓比等常規試驗。其中絕緣電阻、繞組連同套管介損、電壓比等試驗結果均正常。油色譜及直流電阻有異常，數據如下：

（1）開關跳閘后，先后兩次取變壓器油樣進行色譜分析。第一次為故障后2h在取樣閥處取樣，C2H2含量為0.55μL/L；第二次為故障后29h取樣，C2H2含量為56μL/L，明顯超標，三比值為102，屬電弧放電。

（2）01號高廠變高壓繞組和低壓Ⅰ分支繞組直流電阻數據正常，低壓Ⅱ分支繞組b2、c2相間直流電阻較出廠值明顯偏大，繞組線間不平衡率達13.8%，超過標準要求值。

3.4 故障的初步判斷

（1）根據保護的動作情況和錄波波形來分析，高壓側三相電流波形其幅值和相位關系符合典型的低壓側b、c相間短路特征。結合低壓Ⅱ分支b2c2直流電阻偏大，且錄波顯示b2c2相間電壓值在差動保護前已下降至正常的65%。由此初步判斷很可能在低壓Ⅱ分支b2、c2繞組間發生了相間短路。

（2）低壓Ⅱ分支b2、c2相間直流電阻較出廠前明顯偏大，初步判斷c2繞組線圈內存在斷股情況。

（3）從錄波電流幅值看，最大故障電流C相電流幅值約為額定電流的三倍，初步判斷為非金屬性相間短路。

（4）通過變壓器故障后油色譜試驗數據三比值為102，判斷變壓器內部發生了電弧放電。

3.5 現場吊罩檢查及返廠檢修情況

（1）12月5日，現場進行01號高廠變吊罩檢查，對變壓器內部器身、夾件、鐵芯、繞組端部引線、接線母排等外觀進行檢查，均未發現明顯放電痕跡和故障點。在低壓繞組角接未解開情況下，對低壓Ⅱ分支繞組進行直流電阻測試做比對分析。結合之前此變壓器的歷史試驗數據，并進行線-相電阻換算后得到，本次故障發生后，c2相電阻明顯大于另外兩相，相電阻最大不平衡率達到29%。

此外，對差動保護范圍內的低壓側封母進行了絕緣電阻、交流耐壓等試驗，試驗結果均合格。

（2）此變壓器于2017年12月28日返廠進行解體檢查。將變壓器低壓Ⅱ分支繞組角接解開，分別測試a2、b2、c2三相相電阻，其阻值分別為：6.776mΩ、6.771mΩ、8.023mΩ。檢查低壓繞組引線，每匝線圈由20股導線并聯，c2線圈線規數目應為20×6.774/8.023=16.9≈17（6.774為相電阻a2和b2的平均值），由此推斷c2線圈內存在大約3股導線斷股。

高、低壓線圈吊出后，高壓線圈及低壓Ⅰ分支線圈正常，低壓Ⅱ分支a2、b2相正常，c2相發現有明顯變形并存在線圈燒損痕跡。該線圈屬于雙層螺旋式結構，分內外層，每層30匝，共計60匝。外層線圈有多處位置發生變形，內層線圈無明顯變形。以外層線圈引線部位當作起始匝，從上往下數第18匝與第19匝之間繞組有熔融、斷股現象，且處于此高度內外層線圈均有不同程度熔融。由此分析認為繞組在此處發生內外層匝間短路（短路匝數較多，約22～24匝）。

4 模擬仿真計算

對于繞組內較多匝數間短路，由于電磁暫態過程較為復雜，因此借助Matlab仿真軟件，搭建YNd11三相變壓器計算模型。采用三相雙繞組模型來模擬本次低壓C相繞組匝間短路情況下高壓側相電流及低壓側電壓變化特征。該模型以01號高廠變相關電氣參數為基礎，利用變壓器等效電路，推導仿真模型中各類所需參數。

在總匝數60，短路匝數23的條件下，對應匝間短路下高壓側三相電流及低壓側三相電壓，其特征表現：A、B相電流幅值、相位近似相同，C相電流幅值約為A、B相電流幅值的兩倍（或者兩者之和），且相位相差約180°；低壓側bc相電壓下降。此電氣量特征與低壓側bc相間短路特征一致。

之后進一步開展仿真實驗，改變其電源系統阻抗、短路匝數百分比等參數，結果表明，當低壓側單相匝間短路的短路匝數達到一定數量、短路電流達到一定值時，高壓側三相電流開始出現低壓側相間短路時高壓側三相電流的特征，并且隨著低壓側短路匝數的增多，高壓側三相電流的特征與低壓側相間短路時高壓側三相電流的特征越來越相似。

5 原因分析

（1）結合仿真分析、試驗現象及故障錄波，可以認為低壓Ⅱ分支c2相線圈內匝間短路是導致01號高廠變跳閘的直接原因。對于初期的誤判和漏判，后期通過變壓器返廠解體檢查及仿真分析進行糾正。

（2）對220kVⅠA母線（01號高廠變所掛母線）CVT分閘操作與變壓器故障時序進行核對后，拉開CVT一次刀閘在01號高廠變故障發生之前約202毫秒。分析認為，CVT為容性負載，電流超前電壓90°，在刀閘拉開時產生電弧引起系統震蕩，產生操作過電壓。

（3）該低壓繞組屬于雙層螺旋式結構，其繞組內外層壓沿軸向從上往下逐漸減小，繞組兩端壓差最大，為繞組相電壓。考慮變壓器在運行中過流或啟機時勵磁涌流的沖擊，造成變壓器低壓Ⅱ分支繞組變形，經過時間的累積效應，內外層繞組絕緣距離減小，在操作過電壓的作用下，絕緣被擊穿，引起內外層匝間短路。

6 結束語

本文以一起220kV電力變壓器匝間短路故障為脈絡，從事故現象、電氣量特征、氣體特征等試驗試驗結果分析入手，采用基于Matlab仿真軟件搭建的YNd11三相變壓器計算模型仿真的手段模擬和分析驗證故障原因。本文分析理論與實際相結合，希望對類似的故障分析起到一定的借鑒作用。

參考文獻

[1]陳化鋼.電力設備異常運行及事故處理手冊[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]王 成，黃宏華.電力變壓器匝間短路故障分析及處理[J].電力科學與工程，2012（01）.

收稿日期：2018-4-15

作者簡介：鄧陽源（1980-），男，工程師，碩士，主要從事電力系統一次設備檢修及管理工作。